钻井工程轨迹控制

1、1 油层薄，中靶难油层薄，中靶难 需要有合适的角度，才需要有合适的角度，才 能达到矢量入靶能达到矢量入靶 角度偏大角度偏大 角度偏小角度偏小 薄油层开发薄油层开发 2 井眼轨迹在油层最佳位置穿行难井眼轨迹在油层最佳位置穿行难 精确控制几千米远的钻头走向难度大精确控制几千米远的钻头走向难度大 薄油层开发薄油层开发 层薄，地层倾角变化，有时上翘或下倾层薄，地层倾角变化，有时上翘或下倾 3 4 概述：概述： 井眼轨道：井眼轨道：一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。一口井开钻之前，预先设计的井眼轴线形状。 直井轨道：直井轨道：过井口的铅垂线。过井口的铅垂线。 定向井轨道：定向井轨道： 二维定向井：

2、过井口和目标点的铅垂面上的曲线。过井口和目标点的铅垂面上的曲线。 三维定向井：具有不同曲率的空间曲线。具有不同曲率的空间曲线。 轨道设计：轨道设计：定向井、水平井、侧钻井、大位移井等。定向井、水平井、侧钻井、大位移井等。 井眼轨迹：井眼轨迹：一口井实际钻成后的井眼轴线形状。一口井实际钻成后的井眼轴线形状。 轨迹控制：轨迹控制： 直井防斜打直。直井防斜打直。 特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道与轨迹相一特殊工艺井控制井斜和方位，使轨道与轨迹相一 致。致。 5 二维二维三维三维 6 概述：概述： 直井用途：直井用途：油田开发和勘探。有井斜限制要求。油田开发和勘探。有井斜限制要求。 定向井用途：定向井

3、用途： 1.1.地面环境条件的限制地面环境条件的限制 高山，湖泊，沼泽，河流，沟壑，海洋，农田或重要的高山，湖泊，沼泽，河流，沟壑，海洋，农田或重要的 建筑物等。建筑物等。 2.2.地下地质条件的要求地下地质条件的要求 断层遮挡油藏、薄油层、倾角较大的地层钻进等。断层遮挡油藏、薄油层、倾角较大的地层钻进等。 3.3.处理井下事故的特殊手段处理井下事故的特殊手段 井下落物侧钻、打救援井等。井下落物侧钻、打救援井等。 4.4.提高油藏采收率的手段提高油藏采收率的手段 钻穿多套油气层、老井侧钻等。钻穿多套油气层、老井侧钻等。 7 地面环境条件限制地面环境条件限制 8 地下地质条件要求地下地质条件要求

4、 9 处理井下事故处理井下事故 10 11 第一节第一节 井眼轨迹的基本概念井眼轨迹的基本概念 目的：目的：掌握有关参数的概念及这些参数之间的关系。掌握有关参数的概念及这些参数之间的关系。 一轨迹的基本参数一轨迹的基本参数 测量方法：非连续测量，间断测量。测量方法：非连续测量，间断测量。“测段测段”，“测点测点”。 井深、井斜角和井斜方位角井深、井斜角和井斜方位角-轨迹的三个基本参数。轨迹的三个基本参数。 (1) (1) 井深井深（或称为斜深、测深）（或称为斜深、测深） 井口井口( (通常以转盘面为基准通常以转盘面为基准) )至测点的井眼长度。至测点的井眼长度。 以字母以字母Dm表示，单位为米

5、表示，单位为米(m)(m)。 井深增量（井段）：井深增量（井段）：下测点井深与上测点井深之差。下测点井深与上测点井深之差。 以以Dm表示。表示。 12 (2) (2) 井斜角井斜角( () )： 指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度指井眼方向线与重力线之间的夹角。单位为度( () )。 井眼方向线：井眼方向线： 过井眼轴线上某测点作过井眼轴线上某测点作 井眼轴线的切线，该切线向井眼轴线的切线，该切线向 井眼前进方向延伸的部分称井眼前进方向延伸的部分称 为井眼方向线。为井眼方向线。 井斜角增量井斜角增量( ( ) )： 下测点井斜角与上测点下测点井斜角与上测点 井斜角之差。井斜角之差。 BA

6、 13 (3) (3) 井斜方位角井斜方位角 （井眼方位角、方位角）：（井眼方位角、方位角）： 在水平投影图上，以正在水平投影图上，以正 北方位线为始边，顺时针方北方位线为始边，顺时针方 向旋转到井眼方位线上所转向旋转到井眼方位线上所转 过的角度。过的角度。 井眼方位线（井斜方位线）：井眼方位线（井斜方位线）： 某测点处的井眼方向线某测点处的井眼方向线 在水平面上的投影。在水平面上的投影。 井斜方位角增量井斜方位角增量 ：上下测点的井斜方位角之差。上下测点的井斜方位角之差。 B BA A 井斜方位角的变化范围：井斜方位角的变化范围：0 0360360 。 14 (4) (4) 井斜方位角井斜方

7、位角： 井斜方位角的另一种表示方式：井斜方位角的另一种表示方式： 象限角：象限角：指井斜方位线与指井斜方位线与 正北方位线或与正南方位正北方位线或与正南方位 线之间的夹角。线之间的夹角。 象限角的变化范围：象限角的变化范围： 0 09090之间。之间。 磁偏角：磁偏角： 磁北方位与正北方位磁北方位与正北方位 之间的夹角。之间的夹角。 磁偏角校正：磁偏角校正： 真方位角磁方位角东磁偏角真方位角磁方位角东磁偏角 真方位角磁方位角西磁偏角真方位角磁方位角西磁偏角 15 二轨迹的计算参数二轨迹的计算参数 由基本参数计算得到的参数。由基本参数计算得到的参数。 (1) (1) 垂直深度垂直深度（垂深）：（

8、垂深）：轨迹上某点至井口所在水平轨迹上某点至井口所在水平 面的距离。垂深增量称为面的距离。垂深增量称为垂增垂增（）。）。 (2) (2) 水平投影长度水平投影长度LpLp（水平长度、平长）：（水平长度、平长）： 井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影，井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影， 即井深在水平面上的投影长度。即井深在水平面上的投影长度。 水平长度的增量称为水平长度的增量称为平增平增（LL）。）。 (3) (3) 水平位移水平位移（平移）：（平移）：轨迹上某点至井口所在铅垂轨迹上某点至井口所在铅垂 线的距离（或：在水平投影面上，轨迹上某点至井口的线的距离（或：在水平投影面上，

9、轨迹上某点至井口的 距离）。距离）。 平移方位线：平移方位线：在水平投影面上，井口至轨迹上某点的连在水平投影面上，井口至轨迹上某点的连 线。线。 我国将完钻时的水平位移称为我国将完钻时的水平位移称为闭合距闭合距。 16 17 二轨迹的计算参数二轨迹的计算参数 (4) (4) 平移方位角平移方位角 ： 平移方位线所在的方位角。平移方位线所在的方位角。 (5) (5) 坐标和坐标：坐标和坐标： 南北坐标轴，以正北方向为正；南北坐标轴，以正北方向为正； 东西坐标轴，以正东方向为正。东西坐标轴，以正东方向为正。 (6) (6) 视平移：视平移： 水平位移在水平位移在 设计方位线设计方位线上的上的 投影

10、长度。投影长度。 18 (7) (7) 井眼曲率井眼曲率K（“狗腿严重度狗腿严重度”、“全角变化率全角变化率”）：）： 指井眼轨迹曲线的曲率。指井眼轨迹曲线的曲率。 平均曲率平均曲率: : 狗腿角狗腿角（）的计算：的计算： LubinskiLubinski公式：公式： 钻井行业标准计算公式：钻井行业标准计算公式： m c D K 30 )cos(sinsincoscoscos ABBABA 2 sin 222 BA c c 该测段的狗腿角，该测段的狗腿角，()； c该测段的平均井眼曲率，该测段的平均井眼曲率，()/30m ； c该测段的平均井斜角，（该测段的平均井斜角，（）。）。 19 三井眼

11、轨迹的图示法三井眼轨迹的图示法 对一条空间曲线可以有不同的表示方法。对一条空间曲线可以有不同的表示方法。 三维坐标法：三维坐标法： 柱面图示法：柱面图示法：垂直剖面图垂直剖面图（柱面展开图）（柱面展开图）+ +水平投影图水平投影图 柱面：柱面：设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线，设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线， 所有这些铅垂线构成的曲面称为柱面。将柱面展平，所有这些铅垂线构成的曲面称为柱面。将柱面展平， 就形成了垂直剖面图。就形成了垂直剖面图。 可以反映出真实的井身参数，如：井深、井斜角、可以反映出真实的井身参数，如：井深、井斜角、 垂深；垂深； 作图简便。作图简便。 20 21

12、三井眼轨迹的图示法三井眼轨迹的图示法 水平投影图水平投影图 投影面：投影面：水平面水平面 坐标系：坐标系：以井口为原点、以井口为原点、坐标轴、坐标轴、坐标轴。坐标轴。 表达的参数：表达的参数：坐标值、坐标值、坐标值、水平位移坐标值、水平位移S、 水平长度水平长度Lp、闭合距、井斜方位角、闭合距、井斜方位角、 平移方位角平移方位角、闭合方位角。、闭合方位角。 2垂直剖面图垂直剖面图 垂直剖面：垂直剖面：过井眼轴线上各点垂线组成的柱面展开图。过井眼轴线上各点垂线组成的柱面展开图。 坐标系：坐标系：原点（井口）、横坐标（水平长度）、原点（井口）、横坐标（水平长度）、 纵坐标（垂深）纵坐标（垂深） 表

13、达的参数：表达的参数：垂深垂深D、水平长度、水平长度Lp、井深、井深Dm、井斜角、井斜角 。 22 第二节第二节 轨迹测量及计算轨迹测量及计算 目的：目的：掌握井眼轨迹参数的测量、计算、轨迹绘图方法。掌握井眼轨迹参数的测量、计算、轨迹绘图方法。 一测斜方法一测斜方法 1 1、测斜仪分类、测斜仪分类 按工作方式分：按工作方式分： 单点式、多点式、随钻测量（有线、无线）。单点式、多点式、随钻测量（有线、无线）。 按工作原理分：按工作原理分： 磁性测斜仪（罗盘）、陀螺测斜仪（高速陀螺空间指向磁性测斜仪（罗盘）、陀螺测斜仪（高速陀螺空间指向 恒定）。恒定）。 2 2、测量内容、测量内容 井深井深Dm、

14、井斜角、井斜角 、方位角、方位角 。 23 二对测斜计算数据的规定二对测斜计算数据的规定 1 1测点编号：测点编号：测斜自下而上，测点编号自上而下。测斜自下而上，测点编号自上而下。 第一个井斜角不等于零的测点作为第一测点。第一个井斜角不等于零的测点作为第一测点。 2 2测段编号：测段编号：自上而下编号。第自上而下编号。第i-1 i-1 个点与第个点与第 i i 点点 之间所夹的测段为第之间所夹的测段为第i i测段。测段。 3 3第测点：第测点：第测点的井深大于第测点的井深大于25m 25m 时，第测时，第测 点的井深比第测点的井深小点的井深比第测点的井深小25m25m，且井斜角规定，且井斜角规

15、定 为零。第测点的井深小于或等于为零。第测点的井深小于或等于25m25m时，规定第时，规定第 测点的井深和井斜角均为零。测点的井深和井斜角均为零。 24 180 2 360 180 180 2 360 180 1 1 1 1 1 1 ii ciii ii ii ciii ii 时， 时， 4若若i= 0，则计算第则计算第i 测段时，测段时，i i= = i-1 i-1；计算第 ；计算第 i+1测段时，测段时，i i=i+1 i+1 。 。 5在一个测段内，在一个测段内，井斜方位角变化的绝对值不得超井斜方位角变化的绝对值不得超 过过180。 25 三轨迹计算方法三轨迹计算方法 1 1、计算顺序：

16、、计算顺序：计算的目的是算出每个测点的坐标值。计算的目的是算出每个测点的坐标值。 从第个测段开始，逐段向下进行；从第个测段开始，逐段向下进行； 算出每个测段的坐标增量；累加求得测点的坐标值。算出每个测段的坐标增量；累加求得测点的坐标值。 第第0 0测点的坐标值，测点的坐标值，D0=Dm0 , Lp0=0, N0=0, E0=0 。 2 2、计算内容：、计算内容： 测点：测点：五个直角坐标值五个直角坐标值( ( D , Lp ,N , E , V ) )， 两个极坐标值两个极坐标值( ( S ,) ) 。 测段：测段：四个坐标增量四个坐标增量( ( D，Lp，N，E ) )， 井眼曲率井眼曲率c

17、 。 26 三轨迹计算方法三轨迹计算方法 3 3、计算方法的多样性、计算方法的多样性 需计算四个坐标增量需计算四个坐标增量D，Lp，N，E ， 必须知道测段的几何形状。必须知道测段的几何形状。 测斜只提供上下两点的参数，测斜只提供上下两点的参数， 测段形状未知，计算时只能假设测段形状；测段形状未知，计算时只能假设测段形状； 假设不同，计算方法不同。假设不同，计算方法不同。 国内外测段计算方法国内外测段计算方法 正切法正切法 假设测段为 直线，其方 向与下测点 方向一致。 平衡正切法平衡正切法 假设测段为两 段等长度的折 线，其方向分 别与上、下测 点方向一致。 平均角法平均角法 假设测段为直

18、线，其方向为 上、下测点方 向的“和方向 ”。 圆柱螺线法圆柱螺线法 假设测段为圆 柱螺线，螺线 在两端点处与 上、下两测点 方向相切。 最小曲率法最小曲率法 假设测段为平 面圆弧，圆弧 在两端处与上 、下测点方向 相切。 27 4 4、计算方法、计算方法 （1 1）平均角法：）平均角法： 假设测段是一条直线；该直线的方假设测段是一条直线；该直线的方 向是上下二测点处井眼方向的向是上下二测点处井眼方向的“和和 方向方向”（矢量和）。（矢量和）。 测段计算公式：测段计算公式： 22 sinsin cossin sin cos 11ii c ii c ccm ccm cmp cm DE DN DL

19、 DD 28 （2 2）圆柱螺线法）圆柱螺线法 假设测段形状为一条等变螺旋角的圆柱螺线；其两假设测段形状为一条等变螺旋角的圆柱螺线；其两 端与上下两测点处井眼方向向切。在水平投影图上是圆端与上下两测点处井眼方向向切。在水平投影图上是圆 弧。在垂直剖面图上也是圆弧。弧。在垂直剖面图上也是圆弧。 测段计算公式：测段计算公式： ccm ccm cm cm D E D N D L D D sin)sin(sin)sin(4 cos)sin(sin)sin(4 sin)sin(2 cos)sin(2 22 22 2 2 注意：注意：公式中的公式中的和和 的单位，求三角函的单位，求三角函 数时用数时用（）

20、，其它情，其它情 况下用况下用弧度弧度。 29 30 （3 3）曲率半径法）曲率半径法 美国人也曾提出了以圆柱螺旋线为模型的测段参数计算方美国人也曾提出了以圆柱螺旋线为模型的测段参数计算方 法，称之为曲率半径法。其计算结果与圆柱螺旋线法相同。只法，称之为曲率半径法。其计算结果与圆柱螺旋线法相同。只 是计算公式的表达形式不同。是计算公式的表达形式不同。 曲率半径法测段计算公式：曲率半径法测段计算公式： )cos)(coscos(cos )sin)(sincos(cos )cos(cos )sin(sin 11 11 1 1 iiiim iiiim iim p iim D E D N D L D

21、D 注意：注意：圆柱螺旋线法圆柱螺旋线法 和和曲率半径法曲率半径法的公式的公式 ，在分母位置上都有，在分母位置上都有 和和（单位为（单位为弧度弧度 ）。这两个增量中任）。这两个增量中任 一个或同时为零时，一个或同时为零时， 都需要另选公式计算都需要另选公式计算 。 31 （4 4）校正平均角法）校正平均角法 我国钻井行业标准规定使用的方法（我国钻井行业标准规定使用的方法（校正平均角法校正平均角法）：）： 测段计算公式：测段计算公式： 其中：其中： 注意：注意：以上二式中的以上二式中的和和的单位为的单位为弧度弧度。 测段计算公式与平均角法公式的形式相似，只是在平均角法公测段计算公式与平均角法公式

22、的形式相似，只是在平均角法公 式的基础上乘以校正系数式的基础上乘以校正系数f fD D和和f fH H，因而称之为，因而称之为校正平均角法校正平均角法。 ccmH ccmH cmDp cmD DfE DfN DfL DfD sinsin cossin sin cos 24 1 24 1 22 2 H D f f 32 第三节第三节 直井防斜技术直井防斜技术 井斜的危害：井斜的危害： 1、在地质勘探方面：、在地质勘探方面：造成地质资料失真；打乱合理的地造成地质资料失真；打乱合理的地 下井网和开发方案。下井网和开发方案。 2、在钻井施工方面：、在钻井施工方面：恶化钻柱工作条件；易造成井壁坍恶化钻柱

23、工作条件；易造成井壁坍 塌和卡钻；易造成固井下套管困难和注水泥窜槽；纠塌和卡钻；易造成固井下套管困难和注水泥窜槽；纠 斜侧钻增加成本。斜侧钻增加成本。 3、在开发采油方面：、在开发采油方面：影响分层开采；影响修井工作；影影响分层开采；影响修井工作；影 响采收率（死油区）。响采收率（死油区）。 33 一井斜的原因一井斜的原因 地质因素地质因素，钻具因素钻具因素。 1 1、地质因素、地质因素 地层倾斜地层倾斜和和地层可钻性不均匀性地层可钻性不均匀性两个方面。两个方面。 （1 1）地层可钻性的各向异性因素）地层可钻性的各向异性因素 沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向沉积岩特性：垂直层面

24、方向的可钻性高，平行层面方向 的可钻性低。的可钻性低。 钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。地层钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。地层 倾角小于倾角小于4545时，钻头偏向垂直地层层面的方向。地层时，钻头偏向垂直地层层面的方向。地层 倾角超过倾角超过6060时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，地时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，地 层倾角在层倾角在45456060之间时，井斜方向属不稳定状态。之间时，井斜方向属不稳定状态。 34 一井斜的原因一井斜的原因 1 1、地质因素、地质因素 （2 2）地层可钻性的纵向变化）地层可钻性的纵向变化 地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向。地层

25、倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向。 软地层 硬地层 硬地层 软地层 35 （3 3）地层可钻性的横向变化）地层可钻性的横向变化 垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化。垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化。 如：如：在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，而另在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，而另 一侧则钻遇较致密的地层。一侧则钻遇较致密的地层。 36 2 2、钻具因素、钻具因素 主要原因是主要原因是钻具的倾斜和弯曲钻具的倾斜和弯曲。 引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削。引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削。 使钻头受侧向力的作用，产生侧向切削。使钻头受侧向力的作用，产生侧向切削。 “底部钻

26、具组合底部钻具组合”( Bottom Hole Assembly )( Bottom Hole Assembly )，简称，简称BHABHA 。 导致钻具倾斜和弯曲的原因：导致钻具倾斜和弯曲的原因： 钻具和井眼之间有一定间隙。钻具和井眼之间有一定间隙。 钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲。钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲。 钻具本身弯曲；转盘安装不平、井架安装不正等。钻具本身弯曲；转盘安装不平、井架安装不正等。 3 3、井眼扩大、井眼扩大 钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼 轴线不重合，导致井斜。轴线不重合，导致井斜。 37

27、38 二满眼钻具组合控制井斜二满眼钻具组合控制井斜 由钻具引起井斜的原因可归结为：由钻具引起井斜的原因可归结为： 钻头对井底的不对称切削；钻头对井底的不对称切削； 钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜；钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜； 钻头上的侧向力导致对井底的侧向切削。钻头上的侧向力导致对井底的侧向切削。 解决这些问题的方法之一是让钻具填满井眼，即：解决这些问题的方法之一是让钻具填满井眼，即： 满眼钻具组合满眼钻具组合。 基本原理：基本原理： 增大下部钻具组合的尺寸和刚度，近似增大下部钻具组合的尺寸和刚度，近似“填满井眼填满井眼 ”，防止钻柱弯曲和倾斜。，防止钻柱弯曲和倾斜。 方法：方法： 在下部

28、钻具适当位置上安装在下部钻具适当位置上安装3 34 4个扶正器。个扶正器。 扶正器尺寸：扶正器尺寸：d=dh-ds=1.0 2.0 mm 39 YXY YXY 组合的结构组合的结构 近钻头扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器。近钻头扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器。 作用：作用： 近扶正器：近扶正器：抵抗侧向力，防止侧向切削和不对称切削。抵抗侧向力，防止侧向切削和不对称切削。 中扶正器：中扶正器：保证中扶正器与钻头之间的钻柱不发生弯曲。其安保证中扶正器与钻头之间的钻柱不发生弯曲。其安 放位置需严格计算。放位置需严格计算。 上扶正器：上扶正器：保证钻具上至少有保证钻具上至少有3 3个稳定

29、点与井壁接触，从而保个稳定点与井壁接触，从而保 证井眼的直线性。证井眼的直线性。 第四扶正器：第四扶正器：增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。 40 2 2YXY YXY 组合组合“中扶中扶”位置的计算位置的计算 根据等截面梁纵横弯曲理论中的挠度计算公式和压杆稳定的临根据等截面梁纵横弯曲理论中的挠度计算公式和压杆稳定的临 界载荷计算公式，并进行处理求导可得最优位置：界载荷计算公式，并进行处理求导可得最优位置： L Lp p -中扶距钻头的最优长度，中扶距钻头的最优长度，m m ； C C-扶正器与井眼的半间隙，扶正器与井眼的半间隙，C=(dC=(

30、dh h-d-ds s)/2 )/2 ，m m ； d dh h井眼直径，井眼直径，m m ；d dm m扶正器外径，扶正器外径，m m ； E E-钻铤钢材的杨氏模量，钻铤钢材的杨氏模量，kN/mkN/m2 2 ； J J-钻铤截面的轴惯性矩，钻铤截面的轴惯性矩，m m4 4 ； q qm m-钻铤在钻井液中的线重，钻铤在钻井液中的线重，kN/m kN/m ； -允许的最大井斜角，允许的最大井斜角，( () ) 。 4 sin 16 m q JEC p L 64 )( 44 cico dd J 41 3. 3. 满眼钻具组合的使用满眼钻具组合的使用 (1).(1).只能控制井眼曲率，不能控制

31、井斜角的大小。不能纠斜。只能控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小。不能纠斜。 (2).(2).“以快保满，以满保直以快保满，以满保直”。间隙对满眼钻具组合性能影响显著。间隙对满眼钻具组合性能影响显著 。设计间隙一般为。设计间隙一般为d=dd=dh h-d-ds s=0.8=0.8 1.6mm1.6mm。当间隙。当间隙dd达到或达到或 超过两倍的设计值时，应及时更换或修复扶正器。在井径扩大超过两倍的设计值时，应及时更换或修复扶正器。在井径扩大 井段不适用。要抢在井径扩大以前钻出新的井眼。井段不适用。要抢在井径扩大以前钻出新的井眼。 (3).(3).不宜在井眼曲率大的井段使用。防止卡钻。不宜在井眼曲

32、率大的井段使用。防止卡钻。 (4).(4).在钻进软硬交错，或倾角较大的地层时，要注意适当减小钻压在钻进软硬交错，或倾角较大的地层时，要注意适当减小钻压 ，勤划眼，以便消除可能出现的，勤划眼，以便消除可能出现的“狗腿狗腿”。 (5)(5). .为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有3 3个稳定点个稳定点 。即：至少要安放。即：至少要安放3 3个稳定器。个稳定器。 42 三三. . 钟摆钻具组合控制井斜钟摆钻具组合控制井斜 1.1.钟摆钻具组合的原理钟摆钻具组合的原理 在下部钻柱的适当位置在下部钻柱的适当位置 安装一个扶正器，当发安装一个扶正器，

33、当发 生井斜时，该扶正器支生井斜时，该扶正器支 撑在井壁上形成支点，撑在井壁上形成支点， 使下部钻柱悬空。则该使下部钻柱悬空。则该 扶正器以下的钻柱就好扶正器以下的钻柱就好 象一个钟摆，产生一个象一个钟摆，产生一个 钟摆力。钻头在此钟摆钟摆力。钻头在此钟摆 力的作用下切削下井壁力的作用下切削下井壁 。从而使新钻的井眼不。从而使新钻的井眼不 断降斜。断降斜。 43 2 2、YXYYXY钟摆钻具组合设计钟摆钻具组合设计 钻头上的钟摆力：钻头上的钟摆力： 可产生最大钟摆力的最优扶正器安放位置计算：可产生最大钟摆力的最优扶正器安放位置计算： W-钻压，钻压，kNkN； dh-井径，井径， m m； d

34、c-钻铤直径，钻铤直径，m m。 考虑到扶正器磨损和考虑到扶正器磨损和 井径扩大，使用距离比计井径扩大，使用距离比计 算距离适当减小。算距离适当减小。 L LS S= =（0.9 0.9 0.950.95）L Lz z sin 2 1 zmd LqF 2 2 2 2 4 6 .184 04.82 sin 2 ch dd m A BACB z r rJEC rWB qA L 44 3. 3. 钟摆钻具组合的使用钟摆钻具组合的使用 (1).(1).多数用于井斜角较大的井纠斜。直井内无防斜作用。多数用于井斜角较大的井纠斜。直井内无防斜作用。 (2).(2).其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则增斜力增

35、大，其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则增斜力增大， 钟摆力减小。使用时必须严格控制钻压。钟摆力减小。使用时必须严格控制钻压。 (3).(3).只能使用小钻压只能使用小钻压“吊打吊打”。如果使用大钻压。如果使用大钻压, ,可能形可能形 成新的支点。成新的支点。 (4).(4).不能有效控制井眼曲率，易形成不能有效控制井眼曲率，易形成“狗腿狗腿”。 (5).(5).间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显。间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显。 45 1 1、塔式钻具（钟摆原理）。、塔式钻具（钟摆原理）。 2 2、偏心钻铤（形成公转和钟摆力）。、偏心钻铤（形成公转和钟摆力）。 3 3、方钻铤（满眼钻具

36、原理）。、方钻铤（满眼钻具原理）。 4 4、钻铤偏心短节（形成钻铤公转）。、钻铤偏心短节（形成钻铤公转）。 46 第四节第四节 定向井井眼轨道设计定向井井眼轨道设计 常规定向井：常规定向井： b = 15 6060 大斜度井：大斜度井： b = 60 8585 b -最大稳斜角。最大稳斜角。 水平井：水平井： b = 90 上翘井：上翘井： b = 90 120120 大位移井：大位移井： 水平位移与垂深之比大于水平位移与垂深之比大于2.0。 一定向井轨道分类一定向井轨道分类 二维定向井：二维定向井： 常规二维定向井：常规二维定向井：井段形状由直线和园弧曲线组成。井段形状由直线和园弧曲线组成。

37、 非常规二维定向井：非常规二维定向井：除了直线和园弧曲线外，还有某种特殊除了直线和园弧曲线外，还有某种特殊 曲线，如悬链线，二次抛物线等。曲线，如悬链线，二次抛物线等。 三维定向井：三维定向井：纠偏纠偏三维定向井、三维定向井、绕障绕障三维定向井。三维定向井。 47 二常规二维定向井轨道设计二常规二维定向井轨道设计 设计原则设计原则 (1) (1) 能实现钻定向井的目的。能实现钻定向井的目的。 (2) (2) 有利于安全、优质、快速钻井。有利于安全、优质、快速钻井。 轨道形状简单，尽量保持较长的直井段，容易轨道形状简单，尽量保持较长的直井段，容易 实现钻进；实现钻进； 尽量减小最大井斜角，以便减

38、小钻井难度；尽量减小最大井斜角，以便减小钻井难度； u15153030，小倾角定向井；，小倾角定向井； u30306060，中倾角定向井；，中倾角定向井； u 大于大于6060，大倾角定向井。，大倾角定向井。 u最大井斜角不得小于最大井斜角不得小于1515，否则井斜方位不，否则井斜方位不 易稳定。易稳定。 48 选择合适的造斜点位置；选择合适的造斜点位置； q地层：硬度适中，无坍塌、缩径、高压、易漏。地层：硬度适中，无坍塌、缩径、高压、易漏。 q深度：根据垂深、水平位移、剖面类型等确定。深度：根据垂深、水平位移、剖面类型等确定。垂垂 深大、位移小，造斜点应深一些，避免长稳斜段；深大、位移小，造

39、斜点应深一些，避免长稳斜段； 垂深小、位移大，造斜点应浅一些，减小定向施工垂深小、位移大，造斜点应浅一些，减小定向施工 工作量。工作量。 选择合适的井眼曲率；选择合适的井眼曲率； qKcKc小：造斜段长，钻速低；小：造斜段长，钻速低； qKcKc大：摩阻大，起下钻、下套管等作业困难；大：摩阻大，起下钻、下套管等作业困难； q保持保持KcKc均匀，避免急弯，防止阻卡。均匀，避免急弯，防止阻卡。 q保证钻具顺利通过；保证钻具顺利通过； q保证下套管顺利；保证下套管顺利； 49 (3) (3) 有利于采油工艺的要求；有利于采油工艺的要求； 尽量减小井眼曲率，以改善油管和抽油杆的工尽量减小井眼曲率，以

40、改善油管和抽油杆的工 作条件。作条件。 尽量以具有较小井斜角的直井段（斜直或垂直尽量以具有较小井斜角的直井段（斜直或垂直 ）进入油气层。以利于安装电潜泵，坐封封隔）进入油气层。以利于安装电潜泵，坐封封隔 器及其他井下作业。器及其他井下作业。 50 轨道类型轨道类型 常规二维定向井轨道有四种类型：常规二维定向井轨道有四种类型： 三段式，多靶三段式，五段式和双增式三段式，多靶三段式，五段式和双增式。 51 52 3 3设计条件、内容及步骤设计条件、内容及步骤 （1 1）设计条件）设计条件 由地质、采油部门提供的要求：由地质、采油部门提供的要求： 目标点位置：目标点位置：D Dt t、S St t、

41、 0 0 目标段位置：目标段位置：D Dt t、 S St t、DDmm、t t、 0 0 由钻井工程要求和设计原则确定的数据：由钻井工程要求和设计原则确定的数据： 造斜点深度造斜点深度 D Dk kop op 井眼曲率井眼曲率 K K 53 （2 2）设计内容及步骤）设计内容及步骤 选择轨道形状；选择轨道形状； v给定给定D Dt t、S St t、 0 0，选用三段式；，选用三段式； v给定给定D Dt t、S St t、DDmm、t t、 0 0，选用五段式或多靶，选用五段式或多靶 三段式；三段式； v给定给定D Dt t、S St t、DDmm、t t、 0 0，且，且t t较大，用双

42、增较大，用双增 式。式。 确定造斜点位置确定造斜点位置D Dkop；造斜率；造斜率K Kz z，降斜率，降斜率K Kn n，第二造斜，第二造斜 率率K Kzz zz； ； 计算关键参数：计算关键参数：最大井斜角最大井斜角b、稳斜段长度稳斜段长度DDmw； 计算各井段井身参数：计算各井段井身参数：DD、SS、DDm； 绘制垂直剖面图和水平剖面图。绘制垂直剖面图和水平剖面图。 54 4 4、不同轨道类型的关键参数计算、不同轨道类型的关键参数计算 造斜段井眼曲率半径造斜段井眼曲率半径R的计算公式：的计算公式： cc KK R 171930 180 （1 1）三段式）三段式 Kc的单位是（的单位是（/

43、30m），），R（m）。）。 55 给定给定Dt、St、 0、 Dkop、Kz 时，计算时，计算 b、Dmw； ee mwe b eeeemw ze te kopte SR DD SRSDD RR SS DDD 2 arctan2 2 22 56 给定给定Dt、St、 0、 Dkop、b 时，计算时，计算 K z、Dmw； b bzkopt mw z z S kopt z RDD D R K DD R b b t cos sin 1719 )tan( 2 tan b bzkopt mw b z b t tkop RDD D R S DD cos sin ) 2 tan( tan 给定给定Dt、

44、St、 0、 kz、 b 时，计算时，计算 Dkop、Dmw； 57 （2 2）多靶三段式）多靶三段式 给定：给定：Dt、Dkop、Kz、o、 t、Dmm，计算：，计算：St、 Dmw、b；（倒推设计法（倒推设计法 ） b bzkopt mw t t zkoptt tb RDD D RDDS cos sin tan) 2 tan( 58 （3 3）五段式）五段式 nze tnte tnkopte RRR RSS RDDD )cos1 ( sin 已知条件：已知条件：Dt、St、 Dmm、t、 0、Dkop 、Kz、Kn )2/()arctan(2 2 22 eemweb eeeemw SRDD

45、 SRSDD 59 （4 4）双增式轨道）双增式轨道 zzze tzzzte tzzkopte ee mwe b eeemw RRR RRSS RDDD SR DD RSDD cos sin arctan2 222 给定条件：给定条件：Dt、St 、Dkop、Kz、o、t 、Dmm、Kzz 60 增斜段：增斜段： 180/ )cos1( sin bzmz bzz bzz RD RS RD 稳斜段：稳斜段： bmww bmww DS DD sin cos 降斜段：降斜段： 180/)( )cos(cos )sin(sin tbnmn btnn tbnn RD RS RD 双增轨双增轨 道第二道第

46、二 增斜段：增斜段： 180/)( )cos(cos )sin(sin btzzmzz tbzzzz btzzzz RD RS RD 目标稳目标稳 斜斜 段：段： bmmm bmmm DS DD sin cos 5 5、井段计算及设计结果、井段计算及设计结果 对每个井段计算出段长、垂增、平增三个参数。对每个井段计算出段长、垂增、平增三个参数。 61 第五节第五节 定向井造斜工具定向井造斜工具 及轨迹控制及轨迹控制 造斜：造斜：由垂直井段开始钻出具有一定方位的斜井段的工由垂直井段开始钻出具有一定方位的斜井段的工 艺过程。艺过程。 造斜点：造斜点：开始造斜时的深度。垂直井段开始倾斜的起点。开始造斜

47、时的深度。垂直井段开始倾斜的起点。 造斜工具：造斜工具：井底动力钻具造斜工具；井底动力钻具造斜工具； 钻盘钻造斜工具。钻盘钻造斜工具。 混合钻进造斜工具混合钻进造斜工具 导向式马达导向式马达 一、井底动力钻具造斜工具一、井底动力钻具造斜工具 动力钻具（井下马达）：动力钻具（井下马达）： 涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具。涡轮钻具、螺杆钻具、电动钻具。 工作特点：工作特点：在钻进过程中，动力钻具外壳和钻柱不旋在钻进过程中，动力钻具外壳和钻柱不旋 转，有利于定向造斜。转，有利于定向造斜。 62 1 1、动力钻具造斜工具的种类、动力钻具造斜工具的种类 三种：弯接头、弯外壳马达、偏心垫块。三种：弯接头、弯

48、外壳马达、偏心垫块。 (1)(1)弯接头弯接头( (斜接头斜接头) ) 影响弯接头造斜率的因素：影响弯接头造斜率的因素： 弯角越大，造斜率越大；一般为弯角越大，造斜率越大；一般为 0.50.52.52.5。 弯曲点以上钻柱的刚度越大，造斜率越大；弯曲点以上钻柱的刚度越大，造斜率越大； 弯点至钻头的距离越小且重量越小，造斜率越大；弯点至钻头的距离越小且重量越小，造斜率越大； 钻速越小，造斜率越高。钻速越小，造斜率越高。 （2 2）弯外壳马达）弯外壳马达（原理与弯接头类似）（原理与弯接头类似） （3 3）偏心垫块）偏心垫块 杠杆原理，垫块作为支点。杠杆原理，垫块作为支点。 63 64 涡轮钻具的结

49、构与特性涡轮钻具的结构与特性 结构：结构：定子和转子（叶片）、外壳、压定子和转子（叶片）、外壳、压 紧短节、主轴。紧短节、主轴。 工作原理：工作原理：钻井液冲击钻井液冲击 叶片，产生旋叶片，产生旋 转扭矩，驱动转子和主轴旋转。转扭矩，驱动转子和主轴旋转。 特性：特性： 转速较快（转速较快（10001000rpmrpm），），扭矩较小；扭矩较小； 转速与扭矩随流量的增大而增大；转速与扭矩随流量的增大而增大； 在一定流量下，转速随扭矩增大而在一定流量下，转速随扭矩增大而 减小；扭矩增高时，地面压力并不减小；扭矩增高时，地面压力并不 增高，难判断失速。增高，难判断失速。 空转时，转速达到最高，所以不

50、应空转时，转速达到最高，所以不应 当用涡轮钻具进行划眼。当用涡轮钻具进行划眼。 65 3 3螺杆钻具的结构与特性螺杆钻具的结构与特性 结构：结构：定子（外壳内部浇铸橡胶）、转定子（外壳内部浇铸橡胶）、转 子（主轴）、万向轴。子（主轴）、万向轴。 工作原理：工作原理：钻井液流过由定子与转子相钻井液流过由定子与转子相 互啮合形成的螺旋形空腔时，迫使转互啮合形成的螺旋形空腔时，迫使转 子转动，产生扭矩。子转动，产生扭矩。 特性：特性： (1) (1) 转速较慢（转速较慢（100300 100300 rpm rpm ），），扭矩扭矩 较大；较大； (2)(2)转速与扭矩随流量的增大而增大；转速与扭矩随

51、流量的增大而增大； (3)(3)扭矩与压力降成正比。可根据泵压扭矩与压力降成正比。可根据泵压 大小了解钻头扭矩和钻压。可以看着大小了解钻头扭矩和钻压。可以看着 泵压表打钻。根据泵压表上的压力降泵压表打钻。根据泵压表上的压力降 还可以换算出钻头上的扭矩，从而可还可以换算出钻头上的扭矩，从而可 以较为准确地求得反扭角。以较为准确地求得反扭角。 66 二、转盘钻造斜工具二、转盘钻造斜工具 变向器、射流钻头、变向器、射流钻头、 扶正器组合。扶正器组合。 、变向器、变向器 结构及原理如图。结构及原理如图。 早期造斜工具。早期造斜工具。 现在仅用于套管内开窗现在仅用于套管内开窗 侧钻，或不适宜用动力侧钻，

52、或不适宜用动力 钻具的井内。钻具的井内。 67 2 2、射流钻头、射流钻头 钻头上安放钻头上安放1 1个个 大喷嘴、大喷嘴、2 2个小个小 喷嘴。靠大喷喷嘴。靠大喷 嘴射流冲击出嘴射流冲击出 斜井眼。斜井眼。 68 3 3、扶正器钻具组合、扶正器钻具组合 仅用于已有一定斜度的井眼内进行增斜、降斜或稳斜。仅用于已有一定斜度的井眼内进行增斜、降斜或稳斜。 (1).(1).增斜组合（增斜组合（杠杆原理杠杆原理）：）： 69 (2)(2)稳斜组合（稳斜组合（刚性满眼钻具原理刚性满眼钻具原理）：）： 70 (3).(3).降斜组合（降斜组合（钟摆原理钟摆原理）：）： 71 4 4、导向式马达导向式马达

53、弯外壳马达弯外壳马达 + 两个以上扶正器两个以上扶正器 两种工作方式两种工作方式 多种造斜率多种造斜率 滑动钻进滑动钻进定向造斜定向造斜 旋转钻进旋转钻进增、降、稳增、降、稳 马达本身可提供两种造斜率马达本身可提供两种造斜率 改变滑动和转动的相对比例改变滑动和转动的相对比例 ，可获得两种造斜率之间的，可获得两种造斜率之间的 任何一种造斜率。任何一种造斜率。 72 三、定向井轨迹控制的基本方法三、定向井轨迹控制的基本方法 轨迹控制轨迹控制 打打 直直 段：段：转盘钻转盘钻+防斜钻具组合防斜钻具组合 定向造斜定向造斜 跟踪控制跟踪控制 概念：从垂直井段的造斜点处开始，使井眼沿一概念：从垂直井段的造

54、斜点处开始，使井眼沿一 定的方位偏斜的工作。定的方位偏斜的工作。 方法：先用动力钻具造斜工具沿一定方位钻出方法：先用动力钻具造斜工具沿一定方位钻出 810的斜井段，然后用的斜井段，然后用“转盘钻转盘钻+扶正器扶正器 组合组合”继续增斜至要求的井斜角。继续增斜至要求的井斜角。 从造斜结束，到钻完全井，都属跟踪控制阶段。从造斜结束，到钻完全井，都属跟踪控制阶段。 一般用一般用转盘钻转盘钻+扶正器组合扶正器组合进行增、稳、降钻进。进行增、稳、降钻进。 当井斜偏差较大时，用动力钻具强力增斜或降斜。当井斜偏差较大时，用动力钻具强力增斜或降斜。 当出现方位偏差时，用动力钻具当出现方位偏差时，用动力钻具扭方

55、位扭方位。 73 四扭方位计算四扭方位计算 装置角计算、动力钻具装置角计算、动力钻具 反扭角计算、定向方位角计反扭角计算、定向方位角计 算。算。 1 1、装置角的概念、装置角的概念 OAOA线称为线称为高边方向线高边方向线 。点是钻头中心，点是钻头中心，OCOC线称线称 为为装置方向线装置方向线。 以高边方向线为始边，以高边方向线为始边， 顺时针旋转到装置方向线上顺时针旋转到装置方向线上 所转过的角度，所转过的角度，称为造斜工称为造斜工 具的装置角具的装置角。用。用表示。表示。 74 工具面：工具面：造斜工具作用方向线与钻柱轴线构成的平面（弯接头造斜工具作用方向线与钻柱轴线构成的平面（弯接头

56、的两条交叉轴线所在的平面）。装置角也称为的两条交叉轴线所在的平面）。装置角也称为工具面角工具面角。 高边方向线：高边方向线：在井底平面上自井眼低边指向井眼高边的方向线在井底平面上自井眼低边指向井眼高边的方向线 。 井斜铅垂面：井斜铅垂面：过井斜方位线（过井斜方位线（高边方向线高边方向线）的铅垂面。）的铅垂面。 装置方位角：装置方位角：装置角与井斜方位角之和。以装置角与井斜方位角之和。以 表示。 表示。 =1+ 。 、 是装置角的两种不同表示形式， 是装置角的两种不同表示形式，称为高边模式称为高边模式 工具面角；工具面角； 称为正北（磁北）模式工具面角。 称为正北（磁北）模式工具面角。 是井底平

57、面（斜面）上的角度，不易测量；是井底平面（斜面）上的角度，不易测量； 为井口水平面上的角度 为井口水平面上的角度，可以测量，用于定向。，可以测量，用于定向。 、 在 在0 0360360内变化，顺时针为内变化，顺时针为“+ +”，逆时针，逆时针 为为“- -”。 75 2 2、装置角与井斜角、方位角的关系、装置角与井斜角、方位角的关系 （1 1）基本关系）基本关系 cossincoscossin sinsin tan cossinsincoscoscos sinsin coscoscos cos 11 2121 1 21 76 （2 2）对对、的影响的影响 =0，cos2=cos（1+），），

58、2=1+， （全增斜）（全增斜） =180，cos2=cos（1-），），2=1-， （全降斜）（全降斜） = 90，cos2=cos1cos，2 1， （近似稳斜，（近似稳斜，90扭方位）扭方位） 1=2，已知已知，cos=-tan（/2）/tan1， （稳斜扭方位）（稳斜扭方位） 0 90+，增斜增方位。增斜增方位。 90+ 180，降斜增方位。降斜增方位。 180 270-，降斜减方位。降斜减方位。 270+ 360，增斜减方位。增斜减方位。 77 =270=270 目前井斜方位线目前井斜方位线 =0=0 =90=90 =180=180 增方位增方位减方位减方位 增增 斜斜 降降 斜斜

59、78 3 3、装置角的计算、装置角的计算 c m K D cossinsincoscoscos sinsin coscoscos cos 2121 1 21 ”之之间间变变化化，取取“在在 时时：当当 ”；之之间间变变化化，取取“在在 时时：当当 1800 0 1800 0 sinsin coscoscos arccos 1 21 注注 意意 已知条件：已知条件：目前井斜角目前井斜角1 1、方位角、方位角1 1；欲达到的井斜；欲达到的井斜 角角2、方位角、方位角2 2；工具造斜率；工具造斜率c c。 求解内容：求解内容：造斜工具的装置角造斜工具的装置角；达到要求需要钻进的；达到要求需要钻进的

60、井段长度井段长度Dm 。 上述三个公式中，共有个参数：上述三个公式中，共有个参数：1 ，2，Dm 。 显然显然 若已知其中个就可求得另外三个。若已知其中个就可求得另外三个。 79 4 4、动力钻具反扭角的计算、动力钻具反扭角的计算 （1 1）反扭角的概念）反扭角的概念 由于动力钻具反扭矩，而使钻柱反时针扭转的角度，称之由于动力钻具反扭矩，而使钻柱反时针扭转的角度，称之 为动力钻具的为动力钻具的反扭角反扭角。用。用nn表示。表示。 反扭角将使已确定好的装置角减小。反扭角将使已确定好的装置角减小。 造斜工具定向时的方位角称为造斜工具定向时的方位角称为定向方位角定向方位角。用。用s s 表示。表示。